JPS6319746A

JPS6319746A - 表面解析装置

Info

Publication number: JPS6319746A
Application number: JP61164299A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Aoki; 青木　正彦; Naoto Okazaki; 尚登岡崎
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1986-07-12
Filing date: 1986-07-12
Publication date: 1988-01-27
Also published as: JPH0520855B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、ＰＥＬＳ　（陽子エネルギー損失スペクト
ル分析）による表面解析装置、即ち、加速されたプロト
ンビーム等のイオンビームを試料に照射し、試料表面数
層からの散乱ビームを減速管中を通過させて減速し、こ
の減速された散乱ビームのエネルギーを測定することに
より試料表面の物性を解析する表面解析装置に関する。

〔従来の技術〕

第５図は、従来のＰＥＬＳによる表面解析装置を示す概
略平面図である。イオン［２から引き出された例えばプ
ロトンビーム等のイオンビームを加速管６で加速し、加
速されたイオンビームを必要に応じて集束系８により集
束させる。その後質量分析マグネット１０によりビーム
偏向（質量分析）を行う。偏向後、散乱チャンバ１４内
の試料（図示省略）にイオンビームを照射するが、試料
の一部分にイオンビームを照射するために散乱チャンバ
１４に入射前のビームライン上に１ｍｍφ程度のスリッ
ト（図示省略）を設置している。尚、イオンビームとし
ては、Ｈｅ等を使用すると１価のイオン以外に２価のイ
オンも散乱される可能性があり計測が複雑となるため、
実際は、１価イオンしか存在しないプロトンが用いられ
る。図中１２は真空ポンプでるある。

試料に照射されたイオンビームは試料表面数層で散乱さ
れる。この散乱ビームは一般に種々のエネルギーを持っ
ており、そのエネルギー幅を抑制するために２ｍｍφ程
度のスリット（図示省略）を散乱後のビームライン上に
設置している。そしてこのスリットを通過した散乱ビー
ムを減速管１８によって減速させた後、測定器２０によ
ってそのエネルギースペクトルを測定する。この場合の
減速後の電位は次のようにして決められる。

即ち、第６図も併せて参照して、イオン源２におけるイ
オンビームの引出し電圧をＶｅｘ加速管６での加速電圧
をＶ、散乱チャンバ１４は接地されているものとしてそ
の電位をＯとすれば、イオンビームの全加速電圧Ｖａは
、Ｖａ　＝Ｖ＋Ｖｅとなる。この電圧からオフセント電
圧Ｖｏだけ下がった電位Ｖｄを測定器２０が設置されて
いる架台１９（大地からは絶縁されている）の電位とす
ると（即ち減速管１８での減速電圧を（Ｖａ　−Ｖ。

）とすると）、減速されて測定器２０に入る散乱ビーム
のエネルギーはｑＸＶｏ　　（ｅＶ）となる（試料に衝
突した時のエネルギー損失を無視した場合）。ここでｑ
はイオン、例えばプロトンの単位電荷である。

この場合、試料に照射するイオンビームの加速エネルギ
ーは、試料表面でのイオンビームの中性化確率を抑える
等のために高い方が好ましく例えば１００ＫｅＶ程度で
あり、一方、散乱後のビームは、高精度でそのエネルギ
ースペクトルを測定可能とするために低い方が好ましく
例えばＩＫｅＶ程度以下に減速する。

上記のように減速された散乱ビームのエネルギースペク
トルを測定することにより、固体の試料表面の結晶構造
等の物性を調べることができる。

例えば第７図を参照して、イオンビーム３と試料１５と
の衝突により生じるイオンビーム３のエネルギー損失を
八Ｅとし、測定器２０に入射する散乱ビーム４のエネル
ギーをＥとすると次の関係式が成立する。

ΔＥ＝ｑＶｏ　−Ｅ　　　　　・・・　（１）なぜなら
ば、測定器２０に入射する散乱ビーム４のエネルギーＥ
は次のように表され、Ｅ−ｑＶａ−ΔＥ−ｑ（Ｖａ　−Ｖｏ　）これを変形す
れば（１）式が得られるからである。

また、ここでは測定器２０として例えばエネルギー分析
器２１とチャネルトロン等の検出器２２を用いており、
エネルギー分析器２１に印加する電圧をＶ　Ｅ３Ａとす
れば、上記エネルギーＥは次のよう−に表現することも
できる。ここでｋは定数である。

Ｅ”ｋｑＶＥｊＡ　　　　　　・・・　（２）従って、
（１）式および（２）式から分かるように、エネルギー
損失スペクトルはオフセット電圧Ｖｏか電圧Ｙ　ＥＳＡ
を変化させることにより求めることができる。例えば、
試料表面の第１層目の原子と第２層目等の原子により散
乱されるビームを比較すると、第２層目等からの散乱ビ
ームは格子内を走る距離が長いためエネルギー損失ΔＥ
が大きくなり、例えば第８図のようなスペクトルが得ら
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

所が上記のような装置においては、散乱角θ（第７図参
照）は１０度程度にしか設定できなかった。これは、散
乱角θを０度から大きくするに従って散乱ビーム４の立
体角が小さくなってビーム検出効率が低下するためと、
散乱角θをあまり大きくすると装置の各部分が機械的に
干渉してしまうためである。従って散乱角θがこのよう
に小さいため、散乱ビーム４が試料１５の表面の乱れの
影ｇ（即ちエネルギーストラグリング）を受けて、その
スペクトルがブロードになり解析精度があまり良くない
という問題があった。

また、イオンビーム３を試料１５で散乱させずに測定器
２０に直接入れて、エネルギー損失の原点（即ち測定器
２０におけるエネルギー損失ΔＥ＝０の散乱ビーム４が
入射する点）や装置のエネルギー分解能を測定する場合
には、上記散乱角θがＯ変になるように散乱チャンバ１
４以陣のビームトランスポートライン等を接続し直す必
要があり、そのための作業およびアライメント調整に非
常に手間がかかると共に、組立の再現性も悪化するとい
う問題もあった。

これに対して発明者は、散乱角θと散乱ビーム４の立体
角との関係の詳細な検討により、散乱角θをほぼ１８０
度に設定すれば、シャープなスペクトルを得ることがで
きると共にビーム検出効率もかえって大幅に向上するこ
とを見出した。

従ってこの発明は、散乱角がほぼ１８０度の測定を行う
ことができると共に、エネルギー損失の原点やエネルギ
ー分解能の測定も容易に行うことができる表面解析装置
を提供することを主たる目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の表面解析装置は、試料に照射前のイオンビー
ムおよび試料からの散乱ビームの経路上に両ビームを偏
向させる第１の偏向磁石を設け、かつ第１の偏向磁石を
通過して来る散乱ビームの経路上に当該散乱ビームを第
１の偏向磁石と同方向に偏向させて前記減速管へ入射さ
せる第２の偏向磁石を設け、そして第１の偏向磁石にお
ける散乱ビームの経路側の偏向角をφ１、出射角をα。

、エネルギー損失が零の散乱ビームの曲率半径をｒｌと
し、第２の偏向磁石における偏向角をφ２、入射角をα
２、エネルギー損失が零の散乱ビームの曲率半径をｒ２
とした場合、φ、＝φｚ１α宜−α２＝（φｌ　／２）
　−９０Ｃ度〕かつｒ、＝ｒｚとしていることを特徴と
する。

〔作用〕

第１の偏向磁石は試料に照射するイオンビームと試料か
らの散乱ビームの軌道を分離させるので、散乱角をほぼ
１８０度に設定することができる。

その場合、試料でのエネルギー損失を受けた程度の違い
により、散乱ビームは第１の偏向磁石によって分散され
るけれども、この分散された散乱ビームは、第１の偏向
磁石とほぼ対称の構造をした第２の偏向磁石によって偏
向されることによって、再び一つの軌道に集束されて減
速管に入射される。

その結果、この発明の装置においては、シャープなスペ
クトルを得ることができると共にビーム検出効率も大幅
に向上する。しかも広範囲のエネルギー損失の測定を正
確に行うこともできる。

また、第１の偏向磁石を制御することにより、イオンビ
ームを試料に照射せずにそのまま減速管へ導（ことがで
き、これによって装置の配置を変更することなく容易に
エネルギー損失の原点やエネルギー分解能を測定するこ
とができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例に係る表面解析装置を示
す概略平面図である。この装置も上述した従来の装置と
原理は同様である。尚、従来例との相違点の説明に特に
関係ない部分は省略している。

この装置においては、散乱チャンバ１４の手前側に例え
ば電磁石から成る概ねＴ形をした第１の偏向磁石３０を
設け、その左右にイオンビーム３の加速系と散乱ビーム
４の測定系とを配置しており、これによって１８０度の
散乱角θにおける測定を可能にしている。

即ち、イオン源２から引き出され、ｆ！分析マグネット
１０で質量分析された例えばプロトンビーム等のイオン
ビーム３は、何枚かの電極７を有する加速管６によって
例えば従来と同様に１００ＫｅＶ程度のエネノにギーに
まで加速され、その経路上に設けられた偏向磁石３０で
偏向されて例えば超高真空の散乱チャンバ１４内に導か
れ、試料１５に照射される。この場合、試料１５は、前
述した散乱角θが１８０度になるように設定されており
、従ってイオンビーム３は試料１５の表面に垂直に入射
すると共に、当該試料１５からの散乱ビーム４もその表
面に垂直に出て行く。

従って上記散乱ビーム４は、イオンビーム３と同一経路
を逆向きに進むことによって偏向磁石３０を通過し、そ
こでイオンビーム３とは左右反対側に偏向される。つま
り偏向磁石３０によって、試料１５に照射前のイオンビ
ーム３と試料１５からの散乱ビーム４の軌道が分離され
る。ちなみに、この例の場合の偏向磁石３０の磁束の向
きは紙面に対して上向きである。

尚、加速管６の下流側に設けたＱレンズ（静電三重四極
子レンズ）８ａおよび散乱チャンバ１４０手前側に設け
たＱレンズ８ｂは、それぞれ、イオンビーム３あるいは
散乱ビーム４を整形してその発散（特に紙面に上下方向
の発散）を防止するためのものであり、いずれも必須の
ものではないが、測定をより正確にするためにはこの実
施例のように設けるのが好ましい。

一方、偏向磁石３０を通過して来る散乱ビーム４の経路
上には、当該散乱ビーム４を偏向磁石３０と同方向に偏
向させて、何枚かの電極１７を有する減速管１８の中心
軸付近に入射させる第２の偏向磁石３２を設けている。

この偏向磁石３２も例えば電磁石から成り、その磁束の
向きは紙面に対して上向きである。

そして減速管１８によって散乱ビーム４をそのエネルギ
ーが例えば従来と同様に１ＫｅＶ程度以下になるように
減速し、測定器２０によってそのエネルギースペクトル
を測定するようにしている。

上記のような偏向磁石３２を設ける理由は次のとおりで
ある。即ち、偏向磁石３０を通過して来る散乱ビーム４
は、試料１５でのエネルギー損失ΔＥを受けた程度の違
いにより、例えば第１図中に４２（そのエネルギー損失
ΔＥ＝０）および４ｂ（そのエネルギー損失ΔＥ≠０）
で模式的に示すように偏向磁石３０によって分散される
ので、この分散された散乱ビーム４を偏向磁石３２によ
って再び一つの軌道にまとめて減速管１８に入射させる
ためである。

これは、分散した散乱ビーム４は、減速管１８を通過し
て分散したまま、あるいは場合によっては減速管１８で
レンズ作用を受けて更に分散する等して測定器２０に入
るため、測定器２０に入射する効率がエネルギー損失Δ
Ｅによって異なり、即ちビーム輸送効率がエネルギー損
失ΔＥによって異なり、測定の信顧性、定量性等を低下
させる原因になるからである。

そのため、偏向磁石３０における散乱ビーム４の経路側
と偏向磁石３２とは、はぼ対称の構造をしている。即ち
、偏向磁石３０における散乱ビーム４の経路側の偏向角
をφ１、出射角をα１、エネルギー損失ΔＥ＝０の散乱
ビーム４ａの曲率半径をｒｌとし、偏向磁石３２におけ
る偏向角をφ２、入射角をα２、上記散乱ビーム４ａの
曲率半径をｒ２とした場合、としている。より具体的には、この実施例においては、
φ１　＝φ２＝９０°、α１　＝α２＝−４５゜（α１
、α２は図示のような場合を一般的にマイナス表示する
。）としている。

上記（３）式を満たす場合、偏向磁石３０において一つ
の軌道から分離された散乱ビーム４ａと散乱と−ム４ｂ
とは、偏向磁石３０から出て行くときは互いに平行とな
り、そして偏向磁石３２において偏向磁石３０における
のとはちょうど逆の態様で偏向されて、再び一つの軌道
にまとめられて偏向磁石３２から出て行く。

その結果、散乱ビーム４は、そのエネルギー損失ΔＥの
違いに拘わらず、一つの中心軌道で減速管１８に入射し
、そしてそこを通過して測定器２０に入射するため、エ
ネルギー損失ΔＥの違いによる測定器２０への入射効率
の違いが無（なり、エネルギー損失ΔＥの大きなものか
ら小さいものまで広範囲の測定が正確に行えるようにな
る。従って、例えば散乱ビーム４の軌道のずれによる検
出効率の変化を補正する等の必要性も全く無くなる。

尚、上述したような偏向磁石３０および３２の代わりに
、第２図に示したような偏向磁石３４お−よび３６を設
けた表面解析装置が同一出願人によって別途提案されて
いるけれども、この発明はその装置を更に改良したもの
であると言える。

即ち、第２図の装置も、偏向磁石３４によってイオンビ
ーム３と散乱ビーム４の軌道を分離して１８０度の散乱
角θにおける測定を可能にし、偏向磁石３４によって分
散された散乱ビーム４を偏向磁石３６によって減速管１
８の中心軸付近に集束させてエネルギー損失へＥの違い
による測定器２０への入射効率の違いを無くするように
したものであるが、偏向磁石３６にはこの実施例のよう
にエネルギー損失ΔＥの異なる散乱ビーム４の中心軌道
を出射時に一つにまとめるという機能は無いため、広範
囲のエネルギー損失ΔＥの散乱ビーム４を測定する場合
はこの実施例の方がより正確である。

尚、測定器２０は、例えば第３図に示すような構成のも
のとすれば、広範囲のエネルギー測定を一括して行うこ
とができる。即ち、測定器２０はこの例では、平行平板
アナライザ２１、マイクロチャネルプレート２４、位置
検出器２５等を備えており、散乱ビーム４をそのエネル
ギー、即ちエネルギー損失ΔＥの違いによってマイクロ
チャネルプレート２４上の各点に分散させ、その入射位
置を位置検出器２５および位置演算器２６によって検出
し、そして各位置におけるカウントをマルチチャネルア
ナライザ２７に表示するようにしている。従って、この
ような測定器２０によれば、試料１５を傾ける（その角
度は、試料により、また何層口の原子でビームを散乱さ
せるかにより異なる）だけで表面各層からの散乱ビーム
の量を一括して測定することができ、従来のようにオフ
セット電圧Ｖｏやエネルギー分析器２１に印加する電圧
Ｖ。Ａを変化させることなく例えば第８図のようなスペ
クトルを効率良く得ることができる。

そのためスペクトル分析中の状態変化の影響を排除する
ことができるという利点がある。

第４図は、散乱角の変化に対する最適化した立体角の変
化を示す図であり、縦軸は対数目盛である。この図から
分かるように、散乱角θを１８０度に設定した場合、最
適化した立体角ΔΩ（ｓｔｒ〕、即ちビーム検出効率は
、例えば散乱角θが２０度の場合に比べて数百倍（試料
１５が金の場合）〜数千倍（試料１５がシリコンの場合
）向上する。しかも、散乱角θが１８０度の場合は散乱
ビーム４は試料１５の表面の乱れの影響を受けないため
、換言すれば散乱ビーム４は試料表面の原子の影響のみ
を受けるため、シャープなスペクトルを得ることができ
、これによって解析精度も向上する。

一方、エネルギー損失の原点や装置のエネルギー分解能
を測定する場合は、偏向磁石３０の極性や磁束密度を制
御することにより、偏向磁石３゜に入射されたイオンビ
ーム３をそのまま（即ち試料１５に照射せずに）エネル
ギー損失ΔＥ＝Ｏの散乱ビーム４ａと同一軌道で出射さ
せることができる。従って従来のように装置の配置を変
更する必要はなく、それゆえアライメント調整等に手間
がかかったり組立の再現性が悪化したりするようなこと
はない。

特にこの実施例のように、前述した条件φ１＝φｚ＝９
０°に加えて偏向磁石３０のイオンビーム３の経路側の
偏向角φ。も９０°としておけば、エネルギー損失の原
点やエネルギー分解能を測定する場合は、偏向磁石３０
の励磁を単にオフするだけで良く、それによってイオン
ビーム３は第１図中にＡで示すように、偏向磁石３０中
を直進してエネルギー損失ΔＥ＝０の散乱ビーム４ａと
同一軌道で出射するようになる。従って、エネルギー損
失の原点やエネルギー分解能の測定が極めて容易になる
。

ちなみに、第２図の装置においても、偏向磁石３４の極
性切替えと磁束密度上昇とによって、同図中にＢで示す
ようにイオンビーム３を大きく偏向させてエネルギー損
失の原点やエネルギー分解能の測定をすることができる
けれども、上述した実施例であれば偏向磁石３０の励磁
をオフするだけで良いのでその方が蟲かに容易である。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明においては、散乱角をほぼ１８０
度に設定して測定を行うことができ、それによってシャ
ープなスペクトルが得られると共にビーム検出効率も大
幅に向上する。しかも、減速管に入射する散乱ビームの
中心軌道をそのエネルギー損失の違いに拘わらず一つに
することができるので、エネルギー損失の違いによる検
出効率の変化が無くなり、広いエネルギー範囲の測定を
正確に行うことができる。また、装置の配置を変更する
ことなく容易にエネルギー損失の原点やエネルギー分解
能の測定を行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る表面解析装置を示
す概略平面図である。第２図は、表面解析装置の先行例
を部分的に示す概略平面図である。第３図は、第１図の測定器の一例を示す概略図である。第４図は、散乱角の変化に対する最適化した立体角の変
化を示す図である。第５図は、従来の表面解析装置を示
す概略平面図である。第６図は、第５図の装置の電位の
区分を示す図である。第７図は、第５図の装置の原理を説明するための図であ
る。第８図は、第５図の装置によって得られるスペクト
ルを説明するための図である。２・・・イオン源、３・・・イオンビーム、４，４ａ、
４ｂ・・・散乱ビーム、１５・・・試料、１８・・、減
速管、２０・・・測定器、３０・・・第１の偏向磁石、
３２・・・第２の偏向磁石。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）加速されたイオンビームを試料に照射し、試料表
面数層からの散乱ビームを減速管中を通過させて減速し
、この減速された散乱ビームのエネルギーを測定するこ
とにより試料表面の物性を解析する装置において、試料
に照射前のイオンビームおよび試料からの散乱ビームの
経路上に両ビームを偏向させる第１の偏向磁石を設け、
かつ第１の偏向磁石を通過して来る散乱ビームの経路上
に当該散乱ビームを第１の偏向磁石と同方向に偏向させ
て前記減速管へ入射させる第２の偏向磁石を設け、そし
て第１の偏向磁石における散乱ビームの経路側の偏向角
をφ＿１、出射角をα＿１、エネルギー損失が零の散乱
ビームの曲率半径をｒ＿１とし第２の偏向磁石における
偏向角をφ＿２、入射角をα＿２、エネルギー損失が零
の散乱ビームの曲率半径をｒ＿２とした場合、φ＿１＝
φ＿２、α＿１＝α＿２＝（φ＿１／２）−９０〔度〕
かつｒ＿１＝ｒ＿２としていることを特徴とする表面解
析装置。